水體富營養(yǎng)化修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

陳偉江，廖月清，王苗苗，鄭小俊，王軍峰，劉燕，陳明

(1.稀有稀土資源開發(fā)與利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染與控制重點實驗室，江西 贛州 341000；3.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

水體富營養(yǎng)化問題已成為我國乃至全世界最主要的環(huán)境問題之一，嚴(yán)重威脅著人類賴以生存的水環(huán)境安全[1-2]。依照國內(nèi)各大流域受到的富營養(yǎng)化問題來看，可將其成因分為內(nèi)因和外因[3]。外部影響因素包括光照強(qiáng)度、水溫適宜性、生活垃圾及工農(nóng)業(yè)污染物質(zhì)等；內(nèi)部原因是指水體中的微生物不足及流域內(nèi)部氮、磷含量的增加與累積。而氮、磷的富集會造成水中DO迅速減少，浮游生物大量增多，最終導(dǎo)致魚類或其它水生生物死亡。若不及時進(jìn)行打撈處理，就會產(chǎn)生湖面漂浮死魚現(xiàn)象，進(jìn)而引起水體惡臭、透明度降低等影響[4]。富營養(yǎng)化會給水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來巨大損失，尤其是魚類和貝類的養(yǎng)殖[5]。如果人們誤食這些水生產(chǎn)品后，會造成人類慢性中毒。

本文對水體富營養(yǎng)化成因及各類修復(fù)方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了歸納總結(jié)，并論述了國內(nèi)外在水體富營養(yǎng)化方面的最新研究進(jìn)展，以期為湖泊、流域富營養(yǎng)化治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 水體中氮磷來源

水體中磷[6]的來源主要有兩方面，自然因素下，水體中的底泥在還原狀態(tài)下會釋放磷酸鹽，從而增加水體中磷的含量。人為因素下，水體中過量的磷主要來源于居民日常生活中排放的含磷廢水，化工廠排放的富磷污水，農(nóng)業(yè)種植過程中使用的含磷化肥和牲畜糞便。進(jìn)入水體的磷酸鹽有 60%是來自城市污水。

水體中氮[7]的來源主要是由于農(nóng)田徑流挾帶的大量氨氮和硝酸鹽氮進(jìn)入水體后，改變了其中原有的氮平衡，從而促進(jìn)某些藻類的迅速增殖，在這些水生植物死亡后，細(xì)菌將其分解，從而使其所在水體中增加了有機(jī)物，導(dǎo)致其進(jìn)一步耗氧，使大批魚類死亡。生活污水和人畜糞便含有的氨氮排入水體，也會使水體中的氮、磷比例失衡。

2 我國水體富營養(yǎng)化概況

我國早在20世紀(jì)50年代到60年代初期，便有專家學(xué)者開始關(guān)注水體富營養(yǎng)化這一問題[8]。典型的富營養(yǎng)化地區(qū)有滇池[9]、鄱陽湖[10]、洞庭湖[11]、太湖[12]、巢湖[13]及洪澤湖[14]。特別是2007年太湖[12]由于“湖泛”引起的供水危機(jī)，雖然進(jìn)行了控源截污、打撈藍(lán)藻、生態(tài)調(diào)水、生態(tài)清淤和生態(tài)修復(fù)等多項措施，有效的緩解了富營養(yǎng)化以及一定程度減輕了藍(lán)藻爆發(fā)。許多學(xué)者專家對于水體富營養(yǎng)化問題進(jìn)行了不同方面的研究，通過在不同的污染程度或者地區(qū)，采用不同的修復(fù)方法。對于不同的修復(fù)方法有專家學(xué)者將其進(jìn)行劃分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、復(fù)合型修復(fù)、其它修復(fù)等多種修復(fù)類型[15-16]，表1是對典型湖泊修復(fù)技術(shù)的分類總結(jié)。

表1 典型湖泊修復(fù)技術(shù)分類Table 1 The classification of typical lake remediation techniques

3 修復(fù)技術(shù)進(jìn)展

3.1 物理修復(fù)

3.1.1 底泥疏浚 在湖泊中，大多數(shù)的重金屬、持久有機(jī)污染物(POPS)都?xì)埩粼诘啄嘀泻词艿介L期污染，會造成底泥中的污染物不斷累積。當(dāng)污染物超過湖泊最大限度后，則會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化爆發(fā)。所以針對底泥污染問題，通過挖除湖底表層底泥，能夠減少底泥中的污染物向水中釋放；或者通過機(jī)械設(shè)備，將水中堆積的底泥吹攪成渾濁的水狀，讓淤泥隨著河水流走，從而起到疏通河道、減少污染物積累的作用，以此來緩解富營養(yǎng)化產(chǎn)生[17]。Zhong等[18]通過SWI(沉積物-水表層)這一新角度對N的影響及預(yù)算進(jìn)行研究，且通過底泥疏浚技術(shù)對太湖富營養(yǎng)化研究進(jìn)行模擬。結(jié)果證明了清淤有助于減少表層沉積物中的有機(jī)物(OM)和TN含量，疏浚可以幫助減少有機(jī)物、沉積物中的物質(zhì)及總氮，可以加速N循環(huán)過程，以此改善SWI的氧化還原環(huán)境，從而降低了N預(yù)算的差異。底泥清淤比較適用于富營養(yǎng)化程度較深的湖泊，但疏浚泥沙的低回收率和大量堆積導(dǎo)致的二次污染成為了該方法的主要難題。Wang等[19]通過一系列實驗研究引入了沸石與膨脹土作為添加劑，采用了極限頂點設(shè)計方法，確定了燒結(jié)沉積陶粒三組分混合物的最優(yōu)配比，最終通過制備的陶粒以此達(dá)到回收利用底泥沉積物。

3.1.2 人工曝氣充氧法 水體發(fā)黑發(fā)臭主要是由于富營養(yǎng)化導(dǎo)致的水體中的溶解氧(DO)急劇下降，因此可以引用工程機(jī)械或者促進(jìn)污染物降解、加速微生物的繁殖等方式，使得DO含量增多。人工曝氣主要包括固定曝氣器和曝氣容器，是目前防治富營養(yǎng)化最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施[20]。鼓風(fēng)機(jī)曝氣、潛水射流曝氣及表面曝氣等都是目前最為廣泛應(yīng)用的曝氣方法，其必須固定在原位，因此會造成曝氣容器需要較高的成本和人工操作。像地表水、湖泊、水庫等的富營養(yǎng)化修復(fù)的最主要的難題是在于面積過于寬闊，傳統(tǒng)的修復(fù)手段投資大但見效慢且不明顯。Wang等[20]通過太陽能移動式曝水機(jī)(SEMWA)的研究發(fā)現(xiàn)，SEMWA與傳統(tǒng)的曝氣方法相比，SEMWA不僅投入很少的成本，而且在流動狀態(tài)下有較好的氧傳輸率以及巡航優(yōu)勢。姜丹等[21]在鴨綠江花園河受污染地區(qū)應(yīng)用了太陽能曝氣技術(shù)，通過研究發(fā)現(xiàn)太陽能曝氣機(jī)在較大程度上提升了水體透明度、增加DO含量以及減少COD、TP的濃度。

3.1.3 引水技術(shù) 近年來，引水工程對大型富營養(yǎng)化湖泊的生態(tài)水文影響也引起了廣泛關(guān)注[22]。我國也在多方面的運用引水工程來解決富營養(yǎng)化和水資源不足的問題，如“引江濟(jì)滇”、“南水北調(diào)”、“引江濟(jì)太”等大型引水工程。Dai等[23]通過對“引江濟(jì)太”(引長江水至太湖 WDYT)不同季節(jié)引水前后的水質(zhì)進(jìn)行取樣分析，結(jié)果表明引水工程可以增加浮游植物的多樣性、降低有機(jī)污染物含量等以此修復(fù)水體富營養(yǎng)化問題。但該種方法卻會導(dǎo)致原生的生態(tài)群落發(fā)生變化、增加氮進(jìn)入水體的幾率、且成本過于昂貴又費時費力，因此一般應(yīng)用于大型湖泊治理并且需要國家的大力支持。

3.2 化學(xué)修復(fù)

3.2.1 化學(xué)除藻 化學(xué)除藻主要采用化學(xué)除藻劑、殺藻劑來控制或去除藻類。就目前來看，使用最多的化學(xué)試劑主要有硫酸銅(CuSO4)、二氧化氯、高錳酸鉀和復(fù)合藥劑[15]。Ma等[24]選取了外海滇池地表水在不同pH、水溫等條件下，研究聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁(PAC)、Al2(SO4)3·18H2O和Fe2(SO4)3四種絮凝劑對滇池中水體葉綠素a和渾濁的去除效果，結(jié)果表明聚合物絮凝劑的去除效果比簡單絮凝劑效果更好；在人工水實驗中PAC、Al2(SO4)3·18H2O、Fe2(SO4)3在pH 6～8處理效果最好，PFS在pH 5～8處理效果最好；在含藻類的水實驗中，4種絮凝劑均實現(xiàn)了>70%的藻類和混濁去除率,PAC、Al2(SO4)3·18H2O和Fe2(SO4)3的去除率分別為125，125，125，250 mg/L。

3.2.2 化學(xué)固定 化學(xué)固定是通過投加混凝劑將磷等營養(yǎng)鹽固定在底泥中，其中最常用的是鐵、鋁和鈣(成本低)，它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物。Yin等[25]通過研究鑭(La)和鋁(Al)性質(zhì)來改進(jìn)凹凸棒石顆粒黏土制備新的吸附劑，對富營養(yǎng)化嚴(yán)重的流域取樣試驗后發(fā)現(xiàn)，新制備的吸附劑在很寬的pH中表現(xiàn)良好、沉降-水界面的磷含量都能得到有效抑制以及可以將表層沉積物中流動磷被有效地鎖定并轉(zhuǎn)移為惰性磷。

通過化學(xué)方法修復(fù)水體富營養(yǎng)化，極易造成二次污染且難以從根本上解決問題。它是通過添加化學(xué)物質(zhì)使水體富營養(yǎng)化得到緩解，但這種方法只適合于當(dāng)做應(yīng)急措施而不能當(dāng)成必要措施。

3.3 生物修復(fù)

3.3.2 微生物修復(fù) 微生物修復(fù)是指利用天然存在的或經(jīng)特殊培養(yǎng)的微生物在可調(diào)控環(huán)境條件下將有毒污染物轉(zhuǎn)化無毒物質(zhì)的處理技術(shù)。近年來，以微生物為基礎(chǔ)的生物技術(shù)以其高效、低成本及環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢在處理水體污染中得到了越來越多的關(guān)注[30]。HUSSAIN Z等[31]對于內(nèi)生細(xì)菌與人工濕地的聯(lián)合研究表明，該方法能夠去除廢水中的大部分污染物，其對重金屬的去除率(Cr 97%、 Fe 89%、 Ni 88%、 Cd 72%)明顯增加，同時COD(81%)，BOD(72%)，顏色(74%)，N(84%)和P(79%)顯著降低。HALDAR S等[32]基于微生物修復(fù)來緩解印度水生系統(tǒng)重金屬污染這一問題進(jìn)行研究，其中以鏈霉菌既能以代謝活性細(xì)胞及其產(chǎn)物的形式使用，也可以通過死細(xì)胞形式用于重金屬修復(fù)而受到廣泛研究。

3.3.3 動物修復(fù) 水體中的動物修復(fù)主要分為經(jīng)典生物操縱和非經(jīng)典生物操作，前者是利用浮游動物濾食水體中的藻類，后者則是利用濾食類的魚類來控制水體中藻類。在濕地環(huán)境中，主要利用是浮游動物來進(jìn)行修復(fù)水體污染，浮游動物主要包括原生動物、 輪蟲、 枝角類、橈足類四類[26]。Shen等[33]在太湖生態(tài)系統(tǒng)研究實驗室中進(jìn)行了圍隔實驗以及補(bǔ)充實驗，通過亞洲蛤(河蜆)、魚類(鳙魚)、河蜆和鳙魚聯(lián)合及對照組4種方案來分析不同方案下對有害藍(lán)藻水華的控制效果。結(jié)果表明在僅有魚類的生態(tài)系統(tǒng)中，小型藻類的含量增加且占主導(dǎo)地位;而僅有亞洲蛤的生態(tài)系統(tǒng)中，藍(lán)藻的含量沒有減少，且大型藻類占主導(dǎo)地位；濾食性魚類和亞洲蛤的結(jié)合可能會提高水的清晰度。無論有沒有魚類，亞洲蛤均能顯著降低水體中總氮(TN)和總磷(TP)濃度。

3.4 復(fù)合型修復(fù)

傳統(tǒng)物理、化學(xué)等方法雖然見效快，但成本太高、效果持續(xù)時間斷、治標(biāo)不治本，且極易造成二次污染，甚至?xí)?dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞以及人類健康受到威脅。因此需要在傳統(tǒng)治理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索系統(tǒng)化、一體化的解決方案。

復(fù)合型修復(fù)是在不同污染條件下，綜合運用了多種修復(fù)技術(shù)所制定出的系統(tǒng)化、一體化的解決污染問題的方案，見表2。與其他治理方式不同，綜合生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的治理方法追求的是長期效果和長遠(yuǎn)利益，能夠在解決水體富營養(yǎng)化問題的同時，使流域的水生生態(tài)形成自我調(diào)節(jié)與循環(huán)保護(hù)[34]。Cui等[35]通過在相似條件下比較了兩種生態(tài)浮床(EFB)的效果,結(jié)果表明強(qiáng)化生態(tài)漂浮生物反應(yīng)器(EEFB)處理使總氮、總磷和氨氮的處理效率分別提高到63.5%，59.3%和68.0%，而傳統(tǒng)生態(tài)浮床(CEFB)處理使總氮、總磷和氨氮的處理效率分別提高到51.4%，52.8%和57.7%。這表明了EEFB處理系統(tǒng)對超富營養(yǎng)化水體的污染控制具有高于CEFB的凈化效果。

表2 綜合修復(fù)應(yīng)用Table 2 Comprehensive restoration application

近年來，像人工濕地、人工浮島等綜合性修復(fù)方法不斷被應(yīng)用在水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重區(qū)域。而人工濕地這一方法源自于自然濕地，通過模擬濕地土壤、植物和各種微生物的配置[36]，特別在于微生物的組成和多樣性對濕地的去除能力有很大的影響。Zhao 等[37]通過不同濕地類型、季節(jié)等方面進(jìn)行了人工濕地效果的探究，結(jié)果表明人工濕地對水質(zhì)的總氮、總磷和氨氮這些指標(biāo)有著良好的凈化效果；地下濕地的對總氮、總磷和氨氮的效果優(yōu)于人工表面濕地。Yu等[38]在白洋淀府河上下游湖泊間的河口處建設(shè)人工-自然耦合濕地，以此來研究人工濕地的效果。結(jié)果表明該濕地對COD和TN的去除率分別達(dá)到43%和83%，且不同物生物群落會反映出不同的濕地效果。

人工浮島技術(shù)是通過移植水生植物或陸生植物發(fā)達(dá)的根系，由其將水中的N、P及污染物進(jìn)行吸收、吸附，最終使水質(zhì)得到凈化。其本身是人工濕地、水生植物及動物的創(chuàng)新方法。OSTI J A S等[39]在巴西圣保羅州進(jìn)行了以鳳仙花為主的人工浮島技術(shù)來處理魚塘中的N、P，通過兩種修復(fù)方法(有無人工浮島技術(shù))對魚塘中的水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、pH值、濁度(NTU)以及總氮(TN)等指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩個魚塘的平均水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、pH值和DO無差異，但具有人工浮島(AFI)技術(shù)的魚塘其TN、TIN(總無機(jī)氮)、TP和P-PO4(正磷酸鹽)的濃度低于無AFI的魚塘，且經(jīng)AFI處理后的水質(zhì)明顯改善。此外，將AFI與混合養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，可以確保更好地利用所提供的飼料，增加每個生產(chǎn)區(qū)域的產(chǎn)量，并更有效地去除過剩的營養(yǎng)物質(zhì)。

3.5 其它修復(fù)

水體富營養(yǎng)化爆發(fā)之初，國內(nèi)外研究者們對于富營養(yǎng)化的治理技術(shù)主要是基于從N、P皆控方面。但近幾年來，有專家提出富營養(yǎng)化治理無需控N，只需控P的修復(fù)技術(shù)。王洪鑄等[40]基于只控P，不控N方面的研究發(fā)現(xiàn)僅控P就可控制富營養(yǎng)化，而減N卻無法控制浮游藻類總量，反而會誘導(dǎo)固氮藍(lán)藻大量生長，且其成本是N、P皆控的1/4～1/15。近年來，關(guān)于微生物燃料電池系統(tǒng)去除營養(yǎng)物質(zhì)這一方法受到眾多學(xué)者的研究。REDDY C N等[41]對于藻類-微生物燃料電池這一雙功能裝置的利用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該方法具有設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可再生能源產(chǎn)生等優(yōu)點，是一種很有前途的環(huán)境修復(fù)技術(shù)。WU等[42]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和“3S”(地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù))空間技術(shù)提出了鄱陽湖智能水資源監(jiān)測理論研究框架，對水資源智能監(jiān)測的相關(guān)基礎(chǔ)理論和方法進(jìn)行探究，總結(jié)其建立WSN體系結(jié)構(gòu)與多傳感應(yīng)器信息提取的方法、處理及存儲等問題，給(WSN)和“3S” 空間技術(shù)的構(gòu)建提供了思路和解決問題的策略。可通過該方法建立實用可靠的鄱陽湖智能水資源監(jiān)測系統(tǒng)，提高水資源監(jiān)測的靈活性、實時性、空間可見度。

綜上所述，不同修復(fù)技術(shù)對于水體富營養(yǎng)化的效果影響各不相同，如表3對各類修復(fù)技術(shù)優(yōu)缺點進(jìn)行概括。

表3 各類修復(fù)技術(shù)優(yōu)缺點分析Table 3 Analysis of advantages and disadvantages of various repair technologies

4 結(jié)語與展望

圍繞著水體富營養(yǎng)化修復(fù)問題，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了長時間的研究。雖然已取得了一定成果，但是關(guān)于徹底解決水體富營養(yǎng)化問題還存在一定差距。基于眾多修復(fù)方法研究，在進(jìn)行水體富營養(yǎng)化修復(fù)時，應(yīng)提前進(jìn)行實地考察，明確水體污染來源以及制定適宜修復(fù)方案。關(guān)于水體富營養(yǎng)化修復(fù)方法提出以下幾點看法：

(1)綜合使用內(nèi)外源污染控制、底質(zhì)改良、人工復(fù)氧、微生物制劑、水生植物修復(fù)等技術(shù)即以生物修復(fù)及復(fù)合型修復(fù)為主，化學(xué)、物理修復(fù)為輔，能使景觀湖生態(tài)系統(tǒng)走向良性循環(huán)。

(2)水體修復(fù)之后更為關(guān)鍵的問題是后期的維護(hù)與監(jiān)測。通過修復(fù)技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)相合，例如“3S”空間技術(shù)等，能夠提高水體富營養(yǎng)化處理效率以及實時監(jiān)測水體水質(zhì)變化，在環(huán)境污染防治領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。

(3)關(guān)于只控P，不控N和藻類-微生物燃料電池等修復(fù)技術(shù)不僅成本低，而且效果也在理想范圍之內(nèi)，這將成為今后發(fā)展的一個主要方向。